Cohérence quantique électronique : courants permanents et effet Kondo
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Cohérence quantique électronique : courants permanents et effet Kondo. Laurent Saminadayar. Centre de Recherche sur les Très Basses Températures, Grenoble Université Joseph Fourier, Grenoble. Collaborateurs. Christopher Bäuerle. Stéphane Bonifacie François Mallet Arnaud Pouydebasque

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Presentation Transcript

Cohérence quantique électronique : courants permanents et effet Kondo

Laurent Saminadayar

Centre de Recherche sur les Très Basses Températures, Grenoble

Université Joseph Fourier, Grenoble


Collaborateurs effet Kondo

Christopher Bäuerle

Stéphane Bonifacie

François Mallet

Arnaud Pouydebasque

Wilfried Rabaud

Félicien Schopfer

Dominique Mailly

Alain Benoît

Andreas Wieck

Bénédicte Caillarec, Séverine Moraillon, Joël Navarro

Centre de Recherches sur les Très Basses Températures

Laboratoire de Photonique et Nanostructures

Université de Bochum

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Courants Permanents 1D effet Kondo

Courant total porté par l’anneau :

I non dissipatif

(x+L) = (x) exp(2ip/0)

Périodicité du spectre d’énergie

Non supra

London (1937)

Büttiker et al. (Phys. Lett. ’83)

I0 ~ 5 nA

Sensible au nombre d’électrons et au désordre

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Expériences sur plusieurs anneaux effet Kondo

  • Lévy et al. (PRL ’90)

107 Cu rings

  • Reulet et al. (PRL ’95)

  • Noat et al. (PRL ’98)

1052DEG rings

  • Deblock et al. (PRL ’02)

105Ag rings

  • Jariwala et al. (PRL ’01)

30 Au rings

Mesure du courant moyen : périodeF0/2

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Expériences sur un anneau unique effet Kondo

  • Chandrasekhar et al. (PRL ’91)

1 Au - ring

  • Mailly et al. (PRL ’93)

1 DEG - ring

Mesure du courant typique : périodeF0

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Anneaux Connectés effet Kondo

Taille du réseau >> lF

rIisolé = Iconnecté

r = 0.6

Taille du réseau >> lF

P(r,r)

Courants Permanents

Résolution de l’équation de diffusion du réseau

Choc inélastique ne participe pas au courant permanent

< lF

Courant permanent

Seules

Pascaud et Montambaux (PRL ’99)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Géométrie de l’échantillon effet Kondo

G2

G3

G1

L2M

4 µm

2 µm

R

R

1 µm

Taille totale > 12 l

G1 : référence = pas de courants permanents

ns = 5,2.1011 cm-2

µ = 106 cm2V-1s-1

lF = 35 nm,

vF = 3,15.105 ms-1

le = 8 µm,

l ≈ 20 µm

G2 : système isolé des réservoirs

G3 : anneaux isolés les uns des autres

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Le détecteur effet Kondo

ICP

- 

+



ICP

Ic

I

  • SQUID DC :

0s = h/2e

M = IS ≈ 103mB

pont entre les 2 étages

  • Gradiomètre :

tot = c

  • Étalonnage :

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


G effet Kondo2

G1

G3

1 - croix d’alignement

2 - gravure des anneaux

2bis - contacts W

mponts

3 - grilles et boucle d’étalonnage

4 - 1er étage mSQUID

5 - 2nd étage mSQUID

5bis - mponts de Dayem

6 - raccordement mSQUID

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Les effet Kondoéchantillons

Contacts Ω

G2

G1

G1

G2

G3

G3

µponts :

300  30  20 nm3

Boucle d’étalonnage

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Acquisition des mesures effet Kondo

S1 = (M1 - R2) + (M2 - R3)

+

B1 = (M1 - M2) + (R2 - R1)

Signal

+

  • Calcul du signal et du bruit au même instant

  • Même bruit 1/f

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Spectre typique effet Kondo

16 anneaux

Signal périodique << bruit apériodique

Transformée de Fourier

des fichiers S et B

FFT

Paramètres géométriques

  • Fluctuations lentes de T

  • Dérive de l’électronique de SQUID

1/f

Signature des courants permanents

Statistique sur ≈ 1000 spectres

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Rapport entre anneaux isolés et connectés effet Kondo

0,35 nA ± 0.07

2 nA ± 0.3

1,09 nA

2,18 nA

0,4 nA ± 0.08

1,7 nA ± 0.3

0,62 nA

1,25 nA

r ~ 1,2 ± 0,34

r ~ 0,9 ± 0,2

  • Effets balistiques ?

  • Interactions électron-électron ?

  • Moyenne d’ensemble ?

Magnétisme orbital des métaux ?

W. Rabaud et al., Phys. Rev. Lett. (2001)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Saturation du temps de cohérence de phase effet Kondo

101

100

10-1

10-2

10-3

10-4

2D-Au

1D-Au

1D-Si

1D-Si

tf (nS)

1D-GaAs

2D-AuPd

1D-nGaAs

2D-AuPd

10-2 10-1 100 101 102

T(K)

Akimoto et al., (PRL ’03)

Mohanty et Webb (PRL ’97)

Schopfer et al. (2004)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Rôle des impuretés magnétiques effet Kondo

annealing

(1ppm)

Benoît et al. (1988 )

Oscillations Aharonov-Bohm

Pannetier et al. (Phys. Scripta ’86)

Localisation faible

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Magnétorésistance effet Kondo

(AAK)

T-2/3

tf(ns)

T (mK)

DR/R *10-4

Mohanty et Webb (PRL ’97)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Temps de cohérence et effet Kondo effet Kondo

Saturation à basse température

Maximum de résistivité

Nouveau régime

tf(ns)

r(nWcm)

tf(ns)

T (mK)

TK

Les variations detf(T) et de (T) sont correlées

T (mK)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Transition vitreuse effet Kondo

Au/Fe

Cu/Mn

Résistivité

Laborde (1971)

Le maximum de résistivité signe une transition vitreuse

Susceptibilité

Frossati et al. (Physica B ’76)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Extraction du temps de diffusion de spin effet Kondo

1/tf(ns-1)

1/tnon-magnétique

Théorie standard (AAK)

1/tspin-scattering

T (mK)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Temps de diffusion de spin et transition vitreuse effet Kondo

TK

Limite unitaire

15 ppm

1/ts (ns-1)

r (nWcm)

Haesendonck et al. (PRL ’87)

T (mK)

Temps de diffusion de spin constant

Apparition des interactions RKKY

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Limite basse température ? effet Kondo

Film 2D

60 ppm

1/tspin(ns-1)

T 1/2

15 ppm

T 2

Peters et al. (PRL ’88)

Transport à basse température dominé par les interactions RKKY

T (mK)

  • Limite unitaire ?

  • Transport dans un verre ?

  • Cohérence à température nulle ?

T 1/2

T 2

F. Schopferet al., Phys. Rev. Lett. (2003)

Bergmann et al. (PRB ’89)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Projets effet Kondo

  • Déphasage, boîtes quantiques et effet Kondo

Collaborations : G. Eska, D. Feinberg, M. Lavagna, D. Mailly, P. Simon, A. Wieck

  • Interférences quantiques

Collaborations : B. Douçot, D. Mailly, G. Montambaux, C. Texier, J. Vidal

  • Contrats

ACI, STREP, IPMC, Procope

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Déphasage et effet Kondo effet Kondo

  • Dopage par implantation :

  • Variation de la concentration

  • Différentes impuretés

  • Variation de l’écrantage

  • Validité de Nagaoka-Suhl ?

  • Description de la désaturation ?

  • Transition vitreuse ?

Projet européen « Ultra 1D »

D. Mailly, A. Wieck

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Interférences quantiques effet Kondo

Localisation faible

Oscillations AAS

h/2epériodiques

h/e

R (4.2K)= 24 W

h/2e

20

FFT amplitude (10-5W/G-1/2)

R - Renveloppe .10-5W

0

-20

-40

B (G)

-60

B (G-1)

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

Vidal et al. (PRB ’00)

Naud et al. (PRL ’01)

F. Schopferet al., condmat/0407200 (2004)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Conclusion effet Kondo

Magnétisme orbital de conducteurs macroscopiques

r (nWcm)

1/ts (ns-1)

Décohérence, effet Kondo et verres de spins

T (mK)

S. Bonifacie, B. Caillarec, F. Mallet, S. Moraillon, J. Navarro, W. Rabaud, F. Schopfer

B. Douçot, G. Eska, D. Feinberg, M. Lavagna, D. Mailly, P. Simon, C. Texier, J. Vidal, A. Wieck

C. Bäuerle, A. Benoît, K. Hasselbach

Cages d’Aharonov-Bohm ?

Mesure du temps de cohérence ?

Effet de taille finie ?

Limite unitaire ?

Transport dans un verre ?

Cohérence à température nulle ?

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


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